铝电解生产物料消耗指标影响因素分析

铝电解生产物料消耗指标影响因素分析覃海棠河南中孚实业股份有限公司摘要：本文通过物料平衡分析电解铝生产过程中几项主要消耗指标的合理值。针对电解槽正常生产中电解质量或是面壳块富余、氧化铝单耗指标过低或过高、氟化铝消耗波动大等现象进行了分析。通过理论解释消耗指标波动属于正常现象，合理的消耗指标是一个范围值。依据这一范围值有利于管理企业制定科学的生产消耗指标，使电解生产保持长期稳定的同时做到经济管理。关键词：铝电解；物料平衡；消耗指标；电解质前言能源的紧张形势使中国电解铝行业空间不断压缩，当前除西北部分地区具有电价优势的企业外，大部分均处于亏损状态。电价的大幅上涨，已不是电解铝企业开展一些节能降耗的能解决的问题。中国铝电解技术近几年虽然在多方面有了长足的提高，但是主要还是在设计及周边等硬件方面的改进。而在铝电解生产工艺过程确仍是几十来没有根本性改变，这也决定了电解铝生产经济指标难以取得大幅跨越。电解铝行业近几年经历了多次市场低谷，生产企业采取的节能降耗行动也不会是一两次，这恰恰也促进了中国电解铝企业在规范化管理方面得了全面的提高。反过来也说明了中国当前电解铝生产经济指标处理一个科学合理的范围，制定、保持科学合理的经济指标范围，有利了保持生产的长期稳定和效益最大化。那么氧化铝、氟化铝、冰晶石等单耗值在多少范围属于合理，需要进行一定的分析。1氧化铝单耗氧化铝是电解铝生产过程中消耗量最大的一项原材料。早期的自焙槽生产其吨铝消耗达到1950kg/T-Al以上。随着管理的规范和设备的提升，减少了机械损失量，以及氧化铝纯度的提高，降低了消耗量。如今的预焙电解槽上基本可以控制到1920kg/T-Al左右，甚至有些企业发现单耗在某些时段内低至1910kg/T-Al以下。判断氧化铝单耗的合理值，首先的依据是电解铝生产理论氧化铝消耗值，可由下反应式计算得到：Al2O3+2C=1.5CO2+2Al889.154102=t则生产一吨电解铝所需的氧化铝量为1.889T-Al，在此基础上再考虑再它因素的影响。1．1氧化铝纯度对氧化铝单耗的影响氧化铝单耗的理论计算值是视其纯度为100%时，而工业生产中氧化铝的纯度是无法达到的。多数在98.5%左右，所以吨铝氧化铝消耗也会大于1889kg/t-Al。表1是根据氧化铝纯度计算的消耗量，可见存在着较大的差异。从上表看，氧化铝中纯度最低标准是98.2%，最高标准为98.6%以上，好的可以达到99%以上。按纯度为99%进行计算的消耗指标可达1908kg/t-Al，相对同是一级品的98.6%低8kg/T-Al。氧化铝的纯度每降低0.1%，其吨铝消耗就会增加2kg，对电解生产氧化铝单耗指标影响较大。按一般电解铝企业使用一级氧化铝纯度在98.6-99%之间，氧化铝单耗计算值应在1916-1908kg/T-Al之间（不含其他损失）。表1氧化铝国家有色金属行业标准（YS/T274-1998）不同纯度级别的氧化铝吨铝消耗量1．2原铝纯度对氧化铝单耗的影响以氧化铝为一级品时氧化铝单耗为1916kg/t-Al进行计算，氧化铝单耗计算值随着原铝质量变化情况如表2所示。表2原铝纯度对应的氧化铝消耗量牌号Al含量，%氧化铝消耗量变化（Kg）Al99.90b99.901914Al99.85b99.851913Al99.70b99.701910Al99.60b99.601908Al99.50b99.501906从上表看，原铝质量对氧化铝单耗也存在一定的影响，一般企业的原铝产品质量在Al99.70b～Al99.85b之间，所以计算值应该在1910～1913Kg之间。这是以原铝进行计算的，如果要算铝锭单耗还要把铸损计算进去。由此可见，随着原铝质量的提高，氧化铝的消耗量是增加的。1．3氟化铝对氧化铝单耗的影响一般情况下，氟化铝对氧化铝单耗的影响容易被忽略，但它却是一个不小的数。氟化铝中铝含量占32%，按照氟化铝单耗为20Kg/t-Al计算，理论上应该是，每产一吨原铝中将有6.4kg铝来自氟化铝。当然，生产上氟化铝中的铝并不会完会转换成原铝。由于氧化铝中含有一定量的钠，所以电解过程中，存在着钠离子在阴极放电析出的现象：Na++e=Na而析出的金属钠一是上升到电解质表面被燃烧，二是可以与AlF3反应生成金属铝：AlF3+3Na=3NaF+Al假定AlF3中所有的铝都被还原成金属铝，那么其对氧化铝单耗的影响为（以单耗1916Kg为基准计算）：1916-1889×6.4‰=1904Kg/t-Al可见差值不小，达到1916-1904=12Kg/t-Al，当然生产中并不一定存在AlF3中所有的铝都被还原为金属铝。由于不清楚AlF3中有多少比便的铝转换成原铝，所以目前不能利用这一反应来计算影响氧化铝单耗的量，只能用来解释存在的差异现象。化学成分，%杂质含量（不大于）氧化铝消耗量牌号Al2O3不小于SiO2Fe2O3Na2O灼减（Kg）AO-198.60.020.020.501.01916AO-298.40.040.030.601.01920AO-398.30.060.040.651.01922AO-498.20.080.050.701.019241．4机械损失对氧化铝单耗的影响机械损失主要是操作过程发生的问题，存在可控和不可控因素。阳极更换操作时，阳极上的保温料随着热气上升跑到电解槽外，一部份回落到车间内，另一部份从厂房窗户、通道口、厂房顶跑出造成损失。在电解车间对残极进行热清理时这一现象最尤其严重。另外是打捞炭渣以及边部开口带走。从残极上清理下来的物料或者没有经过清理过的残极在运输车辆托运过程中会产生飞扬，因为残极表面总会有一层氧化铝浮料，如果在更极阳极前对其进行清理，飞扬会少一些。还有阳极表面的面壳块在粉碎的过程中也存在飞场损失。这些对氧化铝单耗的影响同样比较大，但这几部份目前没有做过量化测试。1.5氧化铝单耗的合理波动值在几个影响因素之中，可以量化的因素包括氧化铝纯度、原铝的纯度仅此两项可引起的氧化铝单耗值波动就不可忽视。实际生产中一级品氧化铝纯度从98.6%-99%之间，则单耗从1916-1908kg/T-Al之间，波动值为8Kg/t-Al；原铝产品质量按Al99.70b～Al99.85b之间计算，则单耗从1910～1913Kg/T-Al之间，波动值为3Kg/t-Al；两项波动值合计11Kg/t-Al。2氟化铝单耗在电解生产过程中，氟化物的消耗包括阴极内衬的吸收、净化排放和机械损失。而需要补充氟化铝量的原因则还有电解质中其它杂质成份造成，包括原材料中带来的一些杂质在电解质里产生的中和作用和分解反应等，造成了电解质中游离氟化铝浓度降低。2．1氟化铝消耗机理电解质分子比的控制，其实就是电解质中游离AlF3浓度的控制。冰晶石中NaF与AlF的量比是一定的，所以任何渠道新带进的NaF都会造成AlF的用量的增加，即相当于消耗AlF。在所有原料中，氧化铝给电解质带入的NaF含量是最大的，炭素阳极也有少量。一级氧化铝含Na2O量为0.5%，以320KA电解槽氧化铝单耗为1.92吨，电流效率为94%计算，每天每台电解槽需要添加的氧化铝量为：320000×0.3356×24×94%×1.92=4651.7kg则每天进入一台电解槽的Na2O的量为：4651.7×0.5%=23.3kg合Na2F是:65×23.3/62=24.4kgNa3AlF6中NaF与AlF3的质量比为1.5，假设AlF3中的Al3+部分被还原成Al，而AlF3中的F+与氧化铝中带来Na+结合，则理论上此因素造成AlF3消耗为：Al-kg/T3.165.14.24=2.2杂质引起的氟化铝消耗对于采用含有LiF、KF氧化铝生产的电解质成份而言，同样会造成电解槽对氟化铝的需要量增加。因为Li和K与Na相似，同是碱金属，它们会在电解质中组结合成锂冰晶石和钾冰晶石，从而使电解质中游离氟化铝浓度降低。在一家300KA电解槽系列上的生产实践中发现，含有5%的锂盐和3.5%钾盐的电解生产，氟化铝消耗由于原来的20kg/t-Al增加到30kg/t-Al。显然，这一部分的增加并不是损失引起，而是成份转换所引起。3H2O+2AlF3=Al2O3+6HF3Na2O+2AlF3=6NaF+Al2O33SiO2+4Na3AlF6=2Al2O3+12NaF+3SiF43CaO+2Na3AlF6=3CaF2+6NaF+Al2O33MgO+2Na3AlF6=3MgF2+6NaF+Al2O33Na2SO4+2Na3AlF6+3C=12NaF+Al2O3+3SO2+3CO2.3挥发损失电解生产过程中，氟化物排放由于颗粒形式和气体形式组成，以颗粒物形式损失的成份中包括有：氧化铝、冰晶石、锥冰晶、氟化铝、氟化钙、碳氢化合物及含碳烟尘等，气体部分则包括有一氧化碳、二氧化碳、氟化氢、四氟化碳、六氟化二碳、四氟化硅、硫化氢、二硫化碳、水和气碳化合物等。而其组份则与电解质成份和操作温度有关。在电解质的蒸发成份中95%以上是NaF-AlF3，而不是稳定的固体，其冷却却生产的亚稳态固相存在以下分解反应：5NaAlF4=Na5Al3F14+2AlF3氟化铝的外排还包括添加环节的挥发，虽然如今均采用点式下料，并采取氧化铝覆盖的形式添加，但是电解槽下料口的高温及阳极气体的外冲，都加速了氟化铝在这一环节的外排。当然，氟化物或其他颗粒离开电解槽并不意味着都是损失，因为如今电解槽集气净化效率都能达到98%以上。以300KA电解槽计算排氟量17.8kg/t-Al，则回收量则达17.44kg/t-Al，实际排损量只有0.356kg/t-Al。可见经净化系统的挥发损失只是较小量，当然，这与净化系统的净化效果关系很大。2.4无组织排放无组织排放包括挥发或者粉尘飞扬没有经过净化系统的部分。电解槽由于槽罩板密封不好，以及各种操作打开槽罩板期间，挥发物及粉尘飞扬直接排在电解槽外。更换阳极时，热残极在降温过程中存在挥发损失。部分的挥发和飞扬都是经过电解车间厂房排放无法回收。有关专家在针对这一问题进行了研究，在冷却过程中将阳极密封，对释放出的气体进行取样分析。得出的数据显示，平均挥发物为0.063-0.093kg（F）/t-Al。可见，这一部分在整个挥发、飞扬过程中所占的比例并不大。由于这部分是直接排入大气中，所以，对于环保控制来说，这部分却是主要控制对象。3冰晶石单耗冰晶石的使用一般都是在电解槽启动时，尤其是在新系列启动时需要大量的电解质，而在正常的生产过程中几乎是用不上冰晶石的。正常生产过程中，电解槽还会产出多余的电解质，因为生产过程中电解槽电解质的增加量比损失量要大得多。3.1电解质增加项电解生产过程中，电解质量增加的渠道主要是氟化铝的添加和氧化铝中锂、钾等杂质的进入。锂、钾在电解质成分中生成部分碱性冰晶石，氟化铝可与氟化钠反应生成冰晶石，所以如果总是出现电解质过量，也可能使氟化铝单耗增加。3.2电解质的损失项理论上是不存在损失的，而实际上却也存在损失渠道。一是挥发，因为大部分的固氟颗粒来自于电解质的挥发，对于电解槽而言，携带固氟颗粒损失的驱动力正是CO和CO2气体流速造成。二是电解质混入电解槽上部结壳块中（面壳块）。当然，电解槽处于热行程时，面壳块也会转成电解质。所以此项并不是实质性损失，只是一种转换。机械损失则是实质性损失。笔者在2011年考察澳大利亚BELLBAY铝厂时了解到，该铝厂在没有净化系统时，每年都会购进大量的冰晶进行补充，自从增加了净化系统后，每年都会有电解质多出。这是因为，没有净化系统电解质挥发外排的固氟颗粒直接被损失掉，而净化系统具有回收电解质和烟气净化回收氟的作用，挥发的固氟颗粒会吸附于新鲜氧化铝表面，重新被带进电解质内，减少了电解质的挥发损失。4电解质与面壳块平衡4.1多余电解质的产生电解生产中，多余的电解质多以取出的形式，使其冷却形成电解质块储存备用。这些多余电解质的产生，一部分就是前面提到的电解质的增加项中的内容，虽然电解质具有挥发性能，但是从氟平衡分析，电解烟气净化过程中得到的副产品就是氟化铝和冰晶石。由此保证了电解质的平衡，再者加之电解槽